近代科学诞生

第六讲近代科学的诞生概述一、哥白尼革命二、新天文学三、新物理学的诞生四、近代化学和生物学肇始五、机械自然观、科学方法论与科学的体制化历史背景中世纪后期的学术复兴文艺复兴宗教改革地理大发现资本主义的萌芽概述一，哥白尼革命尼古拉·哥白尼（1473-1543）的生平：波兰数学家，天文学家。早年求学于波兰的克拉科夫大学，接着赴意大利博洛尼亚大学和帕多瓦大学留学，习教会法，医学和神学。回国后，任其舅父——地区主教的秘书和医生，余暇研究天文学，晚年出版《天体运行论》，提出“日心说”。这是波兰著名画家伊安·马蒂科画的哥白尼像。哥白尼博物馆。

据报道：波兰考古学家在14世纪建立的弗莱堡教堂下面，发现了一个头盖骨。据史料和高科技法医鉴定：该年约70岁、鼻子骨折的男性头盖骨，是哥白尼的。这一发现可能揭开哥白尼死亡与埋葬之谜，却也引出了新的争议。2.革命的缘起

古代宇宙模型的基本问题：对天体的周日运动、以及行星的逆行等现象的描述和解释。中世纪的宇宙结构：“地心说”及其问题将亚里士多德的天球模型整合到基督教的宇宙图景中。不完美的月下区与完美的月上区四元素说与以太上帝是第一推动力其物理学是“地心说”的理论基础。中世纪的宇宙结构：“地心说”及其问题

天体的具体运行规律全盘接受了托勒密体系。本轮、均轮的叠加解释行星逆行和亮度变化；偏心圆解释四季长度不等。偏心匀速点（对地点）解释运动速度的不均匀。“地心说”存在的问题越来越多的轮子，体系越来越复杂。大大背离了毕达哥拉斯主义所追求的数学上的简单和完美性。在该体系中，地球实际上不在宇宙的中心。革命的外在条件儒略历亟需改革：公元45年起开始使用，到16世纪时，已相差近10天。以至于难以准确计算复活节的日期。1475年，教皇赛克斯都企图改革，但无结果。1512年，教皇利奥十世又重提此事。历法的改革需要相应的理论。大航海时代，需要更加精确和简洁的天文历表。3，“日心体系”的创立哥白尼的出发点：回归毕达哥拉斯和柏拉图的传统回归托勒密的理念和阿里斯塔克的模型哥白尼体系示意图哥白尼与托勒密的宇宙体系体例《天体（天球）运行论》共6卷。第一卷论太阳居宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳运行。第二卷论地球的自转，指出地球是绕太阳运转的一颗普通行星，它一方面以地轴为中心自转，一方面又循环着它自己的轨道绕太阳公转。第三卷论岁差（约26,000年）。第四卷论月球的运行和日月食。第五卷、六卷论水星、金星、火星、木星和土星五大行星。4.[天体运行论]的出版1514年，匿名小册子《要释》（Commentariolus)出版，在天文学家中流传1540年，年轻的德国学者雷蒂库斯整理出版了哥白尼手稿的《摘要》。1543年，哥白尼临终前，《天体运行论》出版路得派教士奥塞安德尔加上的没有署名的『前言』中将该体系称为“方便计算的数学假说”哥白尼本人则强调：“日心体系是一种对物理世界的真实描绘”

出版的艰难

由于托勒密的地心说在当时已经成为维持教会统治的神学理论基础，哥白尼深知发表日心说的后果，这样写到：“我清楚地知道，一旦他们弄清楚我在论证天体运行的时候认为地球是运动的，就会竭力主张我必须为此受到宗教裁判……”，“他们就会大叫大嚷，当即把我轰下台。”因此，哥白尼迟迟不愿意发表他的著作《天体运行论》。直到1539年春天，在德国青年学者雷迪卡斯（1514—1576年）和其他一些朋友的敦促下，哥白尼才同意发表。1541年秋天，雷迪卡斯把修改稿带到纽伦堡，请路德派的一位神学家奥幸德匿名撰写一篇前言，宣称“这部书不可能是一种科学的事实，而是一种富于戏剧性的幻想”。在这样的情况下，才于1543年3月出版，从写成初稿到出版，前后竞搁置了近“四个九年”。

5.哥白尼体系的优点与问题优点1：简洁宇宙模型更加简单（例如，可以很简洁地解释行星视运动的“留”、“逆行”现象）具体描述和推算行星运动时，虽然仍不得不引入偏心圆和本轮，但所需本轮少得多（34Vs80+）P本轮均轮地球对应点圆心C行星的逆行火星的视运动优点2：部分参数更精确在《天体运行论》（Derevolutionibusorbiumcoelestium）中观测计算所得数值的精确度是惊人的。例如：1）他得到恒星年的时间为365天6小时9分40秒，比现在的精确值约多30秒，误差只有百万分之一；2）他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60.30倍，和现在的60.27倍相比，误差只有万分之五。遇到的问题：“常识”的责难如果地球在绕太阳运动，那么：1）恒星视差；2）上抛的物体不应该掉到原地；3）地球有解体的危险;4）

是什么原因使得行星特别是地球运动起来？......贝赛尔（1784-1846）

FriedrichWilhelmBessel恒星视差太阳AB1838年天鹅座61的周年视差0.31”

6.哥白尼学说的影响1）作为一项天文学的成就实用价值：1551年，天文学家莱因霍尔德根据哥白尼的原理计算得出“普鲁士星表”，在此基础上，当局实现了历法改革，制定出新的格列高里历，沿用至今。天文学基本认识的革命：新的宇宙模型、对行星运动现象的新解释、提出了新的问题引发后续的天文学革命（从行星运动学到动力学）6.哥白尼学说的影响2）在思想观念变革中的意义自然观念方面：打破了天地决然有别的界限、破除了亚里斯多德的绝对运动概念、暗含了宇宙可能没有中心、地球动而恒星天层不动动摇了宇宙有限论。社会观念：挑战了基督教神学宇宙观麦克莱伦第三：若要真正了解哥白尼和他的工作，我们必须明白，他是最后一位古代天文学家，而不是第一位近代天文学家。哥白尼其实是一个很保守的人，他是回头盯住古希腊的天文学，而不是要向前开拓什么新传统。他是托勒密的后人，而不是开普勒和牛顿的前辈。他至多是一位感情矛盾的革命者。他的目的并不是要推翻旧的希腊天文学体系，而是要恢复那个体系的本来面目。具体说来，哥白尼认真领受了将近2000年前发出的那条“拯救这些现象”的命令，设法要严格按照匀速圆周运动去说明天体的运动。评价：W.海森伯评价哥白尼的《天体运行论》：

今天，我们甚至可以以更极端的形式说，“静止”一词是由地球静止着这个陈述来定义的，并且我们把相对于地球是不动的每一物体描述为静止的。如果对“静止”一词作如此理解——而这是普遍接受的意义——那么，托勒密是对的，哥白尼却错了。只有当我们沉思了“运动”和“静止”的概念，并把运动理解为至少是关于两个物体的关系的陈述，我们才能够把关系倒转过来，使太阳成为行星系的不动的中心并获得一个简单得多、也更统一的关于行星系的观点，后来牛顿充分评价了这种观点的阐明的力量。因此，哥白尼把一个全新的要素加到直接经验之上，我称这个要素为“自然定律的简单性”，而它与直接经验毫无关系。

恩格斯：“自然科学借以宣布其独立……的革命行为。……从此自然科学便开始从神学中解放出来。”

丹皮尔：“哥白尼教人用新的眼光去看世界。地球从宇宙中心降到行星之一的较低地位。这样一个改变不一定意味着把人类从万物之灵的高傲地位贬降下来，但却肯定使人对那个信念的可靠性发生怀疑。因此，哥白尼的天文学不但把经院学派纳入自己体系的托勒密学说摧毁了，而且还在更重要的方面，影响了人们的思想与信仰。7.关于布鲁诺（GiordanoBruno，1548-1600）作为泛神论者，他支持并发展了哥白尼的宇宙观，提出宇宙无限论但很难认为他是一个天文学家。鲜花广场-布鲁诺纪念碑-火刑柱就在这里1．第谷·布拉赫的折衷体系第谷·布拉赫（1546-1601），丹麦天文学家对1572年出现在天空中的新星的观测使他一举成名，被丹麦国王聘为皇家天文学家，并为他在丹麦海边的“汶岛”上建立起一座豪华的天文台。他的长达20年的观测记录，成为后继者们的宝贵财富。

1597年，由于和继任的新国王不和，前往布拉格，担任神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的御前数学家。二.新天文学

2.第谷在观测上的贡献第谷在天文台工作3.第谷的成就及其意义：1572年11月11日夜晚，发现一个新星，通过严格测定它的视察，证明其位置不在月下区域，而在土星天球以外。对1577年彗星的观测，同样通过测定其视差，发现其轨道在月上区，并穿过传统理论假定的那些携带行星的水晶天球。4.第谷对哥白尼体系的反驳理由一：没有观测到恒星视差，如果日心体系正确，则恒星天球到地球的距离至少是地球半径的7850000倍。（根据欧多克斯的计算，太阳到地球的距离仅为地球半径的490倍）理由二：针对地球自转说，举出大炮发射的实例加以反驳。5.第谷的宇宙体系及其评价1)第谷模型同样否定了托勒密的宇宙体系2)否定了水晶天球的假说3)脱离了传统的“地心说”但同时否定“地动说”的立场6．开普勒和行星运动三定律开普勒（1571-1630）生于德国南部。新教徒。年轻时在杜宾根大学读神学。数学家，天文学家，继承第谷的观测资料，发现了行星运动的三个定律，被誉为“天空的立法者”。7.开普勒与哥白尼

他们同样受到毕达哥拉斯和柏拉图主义的影响，因而开普勒赞赏哥白尼的体系：“我从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难于相信的欢乐心情去欣赏它的美。”8.开普勒与第谷的相遇第谷欣赏开普勒的数学才能开普勒接受了第谷的观测资料，并以此作为寻求反映宇宙和谐（之数学结构）的出发点。9.行星三定律的提出以火星作为突破口。一开始采用传统的托勒密的偏心等距点（对点）方法，发现与第谷数据不符（相差8弧分）。发现由太阳到火星的运动向量在相同时间内划出相等的面积（即开普勒第二定律）9.行星三定律的提出对圆的概念的突破：从卵形到椭圆火星划出一个以太阳为焦点的椭圆（开普勒第二定律）1618年，发表《哥白尼天文学概论》，将火星运动两大定律推广到太阳系的其他所有行星，同时公布了开普勒第三定律：行星公转周期的平方与它到太阳距离的立方成正比。行星三大定律的意义椭圆的引入给希腊古典天文学画上了句号。太阳真正成为引导六大行星运转的力量源泉。开普勒成功的基础：第谷丰富和准确的观测记录+阿波罗尼的椭圆几何性质研究。

“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”（爱因斯坦）开普勒学说的“缺陷”不同意布鲁诺的无限宇宙观：虽然在太阳系内废除了水晶天球，但依然保留了恒星天球。宇宙是上帝的作品，应该体现数学的和谐和秩序。对于一个天文学家，有意义的只是观察到的现象。三、新物理学的诞生哥白尼革命遗留的问题：恒星视差问题地动抛物问题行星的运行动力学。需要新的物理学解答上述问题。（一）伽利略：近代物理学之父1.伽利略（1564-1642）意大利人。17岁入比萨大学学医崇尚数学与实验，在力学和天文学领域获得了大量的发现。因宣传哥白尼学说，受到罗马教廷的长期监禁。1611《星空信史》1632《关于两大世界体系的对话》1638《关于两大新科学的对话》2.伽利略对天体的观测对月球的观测对木星卫星的观测对太阳的观测3.伽利略的力学实验亚里士多德物理学的“弱点”斜面实验与惯性定律：外力不是维持运动的原因落体问题：落体下落距离同所用时间成正比，与重量无关。伽利略作过实验吗？（科瓦雷和德里克）4.伽利略的近代性对近代物理学的开创性贡献：速度和加速度的定量概念、惯性定律、抛物运动分解为水平和垂直等。方法论的革命局限：天地有别（二）牛顿力学：伟大的综合1.牛顿（1642-1727），英国物理学家，数学家，天文学家。就学并任教于剑桥大学三一学院。提出运动三定律，发现万有引力定律，建立古典力学体系，发明微积分并在光学领域作出成绩。晚年从事化学，炼金术等研究。任过造币局长。1703年起任皇家学会会长达24年之久。牛顿在进行光学实验牛顿发明的反射望远镜（1671年）2.前人的成果和局限哥白尼：日心体系的提出与作为“一个便于运算的数学假设”开普勒：椭圆轨道及其动力学阐释（引力）伽利略：地上的力学和宇宙观牛顿的课题：走向综合1666年：牛顿奇迹年1665年初，牛顿获得文学学士学位，当年6月回乡乌尔索普（Woolsthorpe）躲避瘟疫。1665年初，发现了二项式定理；同年11月，发明了正流数运算法即微分；1666年1月，研究颜色理论；同年5月，着手研究反流数运算法即积分；同年继续思考动力学和引力问题，从开普勒第三定律推出行星维持轨道运行所需要的力与它们到旋转中心的距离成平方反比。3.引力问题沿着引力的途径天壤有别吗——“苹果落地的故事”平方反比问题的推导（开普勒第三定律和向心力公式）力学的核心概念

力学三定律和力学的核心概念作为一种对地上运动严格的数学表述，继承了伽利略的工作并吸收了同时代人的成果。牛顿力学三定律牛顿第一运动定律：孤立质点保持静止或做匀速直线运动。牛顿第二运动定律：动量为m的质点，在外力F的作用下，其动量随时间的变化率同该质点所受的外力成正比，并与外力的方向相同；用公式表达为：F=d(mv)/dt。牛顿第三运动定律：相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上.4.综合的实现

“天”与“地”——自然界的统一天上的数学和地上的力学——提问方式的统一数学与实验方法的结合学者与工匠传统的结合近代科学的诞生天文学家根据牛顿力学画出的1759年哈雷慧星回归时的两条可能的轨道5.牛顿与近代科学的革命丹皮尔：“牛顿工作的两个最大的成果是，1）证明地上的力学也可应用于天体。2）从自然科学的大厦中排除不必要的哲学成见。”牛顿：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”“我不知道世人怎么看，但在我自己看来，我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到一块更光滑，更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个迷。”四、近代化学和生命科学的肇始波义耳（RobertBoyle，1627—1691）1661年《怀疑的化学家》科学的元素概念区分元素和化合物燃烧需要空气维萨留斯的《人体结构》（1543年）哈维的血液循环学说（《心血运动论》1628年）显微镜下的新世界：列文虎克、胡克和斯旺麦丹五、机械自然观、科学方法论和科学体制化（一）机械自然观机械自然观的基础：自然的数学化核心内容：第一、人与自然相分离；第二、自然界的数学设计；第三、物理世界的还原论说明；第四、自然界与机器的类比。人是机器（法国拉·梅特里，1747）（二）科学方法论弗朗西斯·培根（FrancisBacon，1561一1626年）的实验归纳方法论笛卡尔（1596-1560）的数学演绎方法伽利略：实验+数学。直观分解（感性世界数学化）——数学演绎——实验证明牛顿：“归纳——演绎”法。（三）科学的体制化“这是一个需要巨人而且产生了巨人的时代。”

——恩格斯《自然辩证法》笛卡尔（Descates,Rene，1596-1650,法）惠更斯（ChristianHuygens,1629-1695，海牙)波义耳（BoberytBoyle，1627-1691，英）胡克(Hooke,Robert，1635-1703，英）哈雷（EdmondHalley，1656-1742，英）

71提问牛顿是职业科学家吗？牛顿时代的科学巨人是职业科学家吗？什么样的人是职业科学家？72社会学中的“体制化”概念社会把一种特定的活动接受下来作为一种重要的社会功能，它是因其本身的价值才得到承认的；存在着一些调整该特定活动领域中的行为规范，以实现其目标和有别于其他活动的自主权；调整其他活动领域中的社会规范，以在某种程度上与该活动领域的社会规范相适应。

——本-戴维，科学家在社会中的角色73科学体制化当科学成为由一群专门从事探究自然规律、建构系统知识的人形成的一种专门的社会活动，形成一种文化形式，拥有一定的制度规范时，科学走上了体制化的道路，也就是说，“科学体制化”了。74科学体制化的标志科学成为生产知识的一种专门的社会活动、行为、文化形式；拥有专门的从事科学活动的群体——职业科学家；拥有专门的组织机构——科学学会或科学院；拥有专门的资金来源和其他条件（政治保障）；拥有专门的信息交流、传播方式。75科学体制化进程个别学者的行为大学的作用自发性学术团体学会与科学院——职业科学家的出现天文台、博物馆、科学杂志、科学奖励系统学院科学后学院科学76历史渊源柏拉图学园——Academy亚里士多德吕克昂（Lyceum）学园亚历山大城的博学院——museum77欧洲早期著名科学学会、科学院意大利--猞猁研究院（又称“灵采研究院”，1601-1630年）英国